Bergbau und Raffination: Von roten Schmutz bis hin zu Aluminium
, egal wie viele Silben, die Sie dazu bringen, es zu sagen, Aluminium ist eines der vorteilhaftesten Industriemetalle, die wir haben. Leicht, stark, leicht legiert, hoch leitend und leicht zu maschinen, gegossen und extrudiert, hat Aluminium in wesentlich zu jedem industriellen Prozess und dem kommerziellen Produkt gefunden.
Das moderne Leben wäre ohne Aluminium unmöglich, und doch ist das Silbermetall nur für in den letzten 100 Jahren weit verbreitet. Es gab eine Zeit nicht so langelang, dass Aluminium-Geschirr ein Statussymbol war, und es war einmal wörtlich viel mehr wert als sein Gewicht in Gold. Der Grund hinter seiner einmaligen Seltenheit liegt in dem Anstrengungsaufwand, der erforderlich ist, um das reichhaltige Element aus den Felsen, die sie tragen, sowie die Energie, die dies tragen, zu extrahieren. Die Kräfte, die das Aluminium bis kürzlich vom menschlichen Gebrauch abgeschlossen haben, wurden bis vor kurzem überwunden, und die Chemie und das Engineering mussten darf, um dies zu tun, um in unserer nächsten Rate von “Bergbau und Raffination” zu schauen.
Zahlen Sie Schmutz
Aluminium ist das einzelne, das viel reichhaltiges metallisches Element in der Erdkruste ist. Aber für etwas, das 8% im Durchschnitt des Bodens unter den Füßen ausmacht, ist es sehr schwer, in seiner elementaren Form zu kommen. Es gibt keine Outcropcings oder Adern von metallischem Aluminium zu meinen; Aluminium ist nahezu immer in seinen verschiedenen Oxidformen gefunden und muss chemisch freigesetzt werden, um irgendeiner Verwendung als Industrialmetall zu verwenden.
Während aluminiumlagere Felsen weit verbreitet sind, gibt es nur wenige wirtschaftlich signifikante Ablagerungen des primären Erzerzes von Aluminium: Bauxit. Der genaue Gehalt an Bauxit variiert, er besteht normalerweise aus Aluminiumoxidmineralien in Verbindung mit Aluminiumhydroxiden, Tone, Quarz und eisenlagerenden Mineralien. Einige der größten und reichsten Ablagerungen des Bauxits befinden sich in den Tropen, in denen abwechselnd hohe Temperaturen und reichhaltiger Regen lange trockene Zeiten folgen.
Die Chemie, die diese Bedingungen bevorzugen, ist wirklich der erste Schritt in der Aluminiumverarbeitung – er bricht den Bauxit, der bereits ein sehr weicher Felsen ist, in beißgrüne Stücke, die leicht aufgehoben werden. Eine Menge Bauxit wird mit Open-Cast-Bergbautechniken abgebaut. Der derzeitige Weltmarktführer in der Bauxite-Produktion ist Australien, das etwa eine Viertel der Weltproduktion produziert. China kommt in der zweiten, mit der westafrikanischen Nation von Guinea, die Dritter kommt. Es gibt auch große Ablagerungen des Bauxits in Brasilien und der Karibik, im Allgemeinen in Jamaika.
Da es nur wenige Orte in der Welt gibt, in denen Bauxit abgebaut ist, wird der Erz häufig lange Entfernungen zur zusätzlichen Verarbeitung geliefert. Dies kann am Ende ein gefährlicher Vorschlag sein, wenn der Erz aufgrund von Verflüssigung und dynamischer Trennung über den Ozean verschifft wird. Bauxite besteht typischerweise aus viel Ton, und wenn Sie Regenwasser ausgesetzt sind, kann es eine schnellstehende Suspension bilden, die sich wie eine Flüssigkeit verhält. Wenn Sie in die Haltestelle eines Massenträgerschiffs geladen werden, kann das übermäßig nasse Bauxit herumflammt und wenn sie mit der Tendenz des Wassers in der Aufschlämmung gekoppelt ist, um nach oben zu migrieren, ändern Sie den Schwerpunkt des Schiffes mit schrecklichen Ergebnissen.
So nah und doch so fern
Rohes Bauxiterz muss chemisch behandelt werden, um die Verunreinigungen zu entfernen, und machen Sie es bereit, das von ihm enthaltene Aluminium zu schmensieren. Der Bayer-Prozess wird nahezu immer dazu verwendet, dies zu erreichen, und besteht aus dem Kochen großer Chargen zerquetschter Bauxit in einem Druckbehälter mit einer Option von ätzendem Soda oder Natriumhydroxid. Bei 150 ° bis 200 ° C reagieren die Aluminiumoxide und Hydroxide, die normalerweise in Wasser unlöslich sind, mit dem Natrium im Natriumhydroxid reagieren, um Natriumaluminat zu bilden:
Dies löst das Aluminium in der Bauxit, aber nicht die Verunreinigungen, die im Allgemeinen Eisenoxide sind. Die unlöslichen Materialien zusammen mit überschüssigem Natriumhydroxid werden in ein Abfallprodukt abfiltriert, das als “roter Schlamm” genannt wird. Riesige Mengen an rotem Schlamm werden in Bauxit-Verarbeitungsanlagen hergestellt und in Lagunen gelagert, die oft durch Flut gebildet werden, die gespielt werden. Die Oxide im roten Schlamm haben einen wirtschaftlichen Wert und können zur Verwendung in industriellen Prozessen gewonnen werden, die die Rückgewinnung von Spurenmengen an Seltenerdelementen umfassen, die in den Tailings vorhanden sein können. Roter Schlamm kann auch eine Katastrophe verursachen, wenn sie nicht angemessen behandelt wird.
Der letzte Schritt in der Bauxit-Verarbeitung beinhaltet, das Aluminium in dem Filtrat auszufällen und zu reinigen. Dies wird erreicht, indem die Option, die aus dem Natriumaluminat besteht, mit hochreinigten Kristallen von Aluminiumhydroxid bestehen. Dies bewirkt, dass Aluminiumhydroxid-Kristalle aus der übersättigten Lösung bilden und abtasten:
Die Kristalle von Aluminiumhydroxid werden gesammelt und in einem Hochtemperatur-Drehrohrofen behandelt. Bei einem Prozess namens Kalzinierung wird das Aluminiumhydroxid thermisch in reine weiße Kristalle von Aluminiumoxid zersetzt:
Besseres Schmelzen durch Chemie
Der nächste Verarbeitungsschritt ist eigentlich sdas elementare Aluminium aus dem Aluminiumoxid schmelzen. Der Prozess, der dazu verwendet wurde, dies zu erreichen, ist der Hall-Héroz-Prozess, der nach American Chemist Charles Martin Hall und Französischer Wissenschaftler und Innovator Paul Hérozt, der den Prozess 1886 unabhängig und fast gleichzeitig entwickelt hat, benannt. Der Prozess versucht in der Regel, die oxidativen Naturprozesse der Natur zu lösen Das ursprünglich ein elementares Aluminium in seine Oxide, um Bauxit zu bilden. Es ist so elektrolytisch, und dies ist dadurch, dass der Zugang zu massiven Mengen billiger elektrischer Energie wirtschaftlich praktikabel ist; Deshalb befinden sich Aluminium-Smarts oft in der Nähe von Wasserkraftdämmen.
Um das Aluminiumoxidpulver zu elektrolylysieren, muss es zuerst verflüssigt werden. Einfach das Schmelzen ist nicht machbar, wenn man bedenkt, dass er einen unverschämlich hohen Schmelzpunkt hat (2.072 ° C). Das entscheidende zum Hall-Héroz-Prozess war die Entdeckung von Kryolith, einem Salz von Natrium, Aluminium und Fluor. Cryolite senkt den Schmelzpunkt des Aluminiumoxids auf etwa 900 ° C, wodurch die Elektrolyse möglich ist. Cryolite tritt natürlich auf, ist aber sehr selten, in nur wenige Plätze auf der Erde gefunden. Fast der gesamte Cryolite, der für Aluminiumschmelzen verwendet wird, wird nun synthetisch hergestellt.
In der industriellen Maßstab wird der Hall-Héroz-Prozess in fast lächerlichen Niveaus durchgeführt, wobei Schmelzpflanzen so groß sind, dass sie aus dem Weltraum ersichtlich sind. Jede Stahlreaktionszelle, als Topf genannt, ist mit Keramik ausgekleidet und weist an der Unterseite eine Graphitkathode auf. Der Topf wird mit Aluminiumoxidpulver und Kryolith geladen, und eine massive Verbundanode wird in den Mix abgesenkt. Die Anode besteht hauptsächlich aus fusioniertem Koks mit einem Kupfer- oder Stahlrahmen, um den erforderlichen Strom zu leiten – Hunderttausende von Amps – zur Elektrolyse der Lösung.
Die Elektrolysereaktion bewirkt, dass sich metallisches Aluminium an der Anode jeder Zelle bilden. Das geschmolzene Metall ist dehner als der Elektrolyt, so dass Tröpfchen auf den Boden des Topfes, wo sie sich an der Kathode ansammeln, sinken. Töpfe werden kontinuierlich ausgeführt, und es dauert überall von ein bis drei Tagen, um ausreichend geschmolzenes Aluminium zu sammeln. Das flüssige Metall wird von einem Siphon abgeworfen, die Verbrauchsanlagen werden nach Bedarf ausgetauscht, und dem Topf wird eine weitere Ladung hinzugefügt.
Das aus dem Topf ausgelagerte Aluminium beträgt etwa 99% reines Aluminium und wird normalerweise in Barren oder Balken zur zusätzlichen Verarbeitung gegossen. Aluminium auf diesem Reinheitsgrad wird hauptsächlich für Lebensmittelbehälter oder als elektrische Leiter verwendet, z. B. über Kopfleitungen. Wenn ein höheres Reinheitsmetall erwünscht ist, kann ein anderer elektrolytischer Prozess, der als der Hoopes-Prozess bekannt ist, die Reinheit bis zu “Vier-Nasen-Level (99,99%) mitbringen. Alle Metalle von 99% rein und up sind als “1000-Serie” -Aluminium bekannt.
Reines Aluminium ist normalerweise nicht so vorteilhaft, obwohl viel Aluminium mit anderen Metallen mit anderen Metallen legiert wird, um andere Eigenschaften zu erreichen. Zum Beispiel ist die 2000er Serie von Aluminium meistens mit Kupfer für Festigkeit und Zähigkeit legiert und findet seinen Weg in die Flugzeugfertigung. 3000-Serie-Metalle, wie die 3003-Legierung, die in Kanal- und Kochutensilien gefunden wurden, mit Mangan für die Verarbeitbarkeit legiert. Silizium wird mit Aluminium legiert, um die 4000-Serie-Metalle zu bilden; Das Hinzufügen von Magnesiumergebnissen in den 6000-Serie-Metallen wie der beliebten 6061 und 6063, die in allem von Aluminium-Extrusionen auf Motorblöcke auftauchen.